基于數據挖掘技術的配電網精準投資策略研究

黃宏和，吳 臻，琚 軍，章 斌，王雪峰，潘永賀，鄭 輝，趙仲夏

（國網浙江省電力有限公司衢州供電公司,浙江 衢州 324000）

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展和人民生活水平的提高，日益增長的用電需求對電網企業提出了更高要求。深化落實投資精準的要求，充分發揮資產、資金、管理等優勢，增強企業經營能力，對實現電網企業建立“一強三優”現代公司的發展戰略具有重大意義。

近年來，電網企業配電網投資大多還處于依靠經驗的投資階段，在落實配電網精準投資方面仍缺乏有效手段，一方面由于用戶用電需求的剛性增長；另一方面由于配電網投資邊際效益降低，亟需形成配電網精準投資策略，提升電網企業配電網精準投資水平。在投資效益評估研究領域，投資效益評估均進行項目前評估，提出用于評價投資效益的指標體系、評分函數和得分公式，以評分的高低為導向來進行投資資金分配比例計算[1]，部分研究將全壽命周期成本管理理論應用于投資效益評估模型中[2]。在評價指標體系的構建方面，從實施過程、運營效果、財務效果、社會效益和可持續性方面提出綜合指標體系[3]，或通過技術效益指標、經濟效益指標和社會效益指標來提出架構評價體系[4-5]，同時通過指標賦權方法和綜合評價方法的比選篩選出熵權法、遺傳算法和灰色關聯分析范圍評價，提供具體的方法論[6-8]，部分研究根據指標體系和評價模型建立綜合數據平臺進行實證分析[9]。

本文在上述文獻研究的基礎上，以大數據應用為手段，使現在數據挖掘技術與配電網投資業務相結合，從電網運營水平角度考慮構建配電網評價指標體系，運用熵權法的指標賦權方法開展配電網精準投資策略研究，綜合投資前評估評價感知投資需求和后評估模型分析產出效益，以實現電網投資效益最大化。

1 配電網精準投資策略

基于數據挖掘技術的配電網精準投資策略包括建立項目投資前評估模型和投資后評估模型2部分（見圖 1）。

圖1 配電網精準投資策略

建立投資前評估模型需要：

（1）預測電網未來可開放容量，檢驗項目實施后容量是否滿足未來負荷的需求。

（2）進行現狀和匹配度分析，將網格評價維度的評估指標與行業標準進行比較，判斷目前什么指標處于薄弱狀態。

（3）分析電網運營水平，對電網建設項目建設前和建設后預計的運行水平、轉供能力、電網結構、設備水平和供電質量等進行對比分析。

（4）通過年收益率考核指標體現項目經濟效益。

建立項目投資后評估模型需要完成目標實現情況評估、完成電網運營水平評估和完成經濟效益評估。

1.1 項目投資前評估方法

1.1.1 預測電網未來可開放容量

電網未來可開放容量的預測，是評估項目可行性的基礎，不僅能夠預測項目投資的合理性，還能反映電網的供電能力。若項目實施后未來可開放容量大于0，則項目可投資；若項目實施后未來可開放容量小于等于0，則項目應停止投資。

電網中線路未來可開放容量由線路限定容量與線路最大負荷共同決定，未來可開放容量以H表示，其計算公式為：

式中：B為投資后線路容量；Imon為每月線路負荷。若H大于0，則項目實施后容量滿足未來負荷需求。

1.1.2 現狀和匹配度分析

對能反映電網運行水平、轉供能力、電網結構、設備水平和供電質量的相關指標進行現狀分析，找出薄弱點，針對配電網投資工程，采用計算項目有效投資率與重復投資率的方法，能夠填補以往配電網項目投資效益預評估的空白，降低“拍腦袋決策”現象的發生率。

將現狀分析及未來可開放容量預測得到的結果與項目目標進行匹配。設定未來可開放容量具有“一票否決權”，將其記為C，若未來可開放容量大于0，C為1；若未來可開放容量小于等于0，則C為0。將有效投資率記為T，針對單體項目，其有效投資率為：

式中：k1為項目可改善的薄弱指標數；k2為薄弱指標總數。

若項目建設目標與處在薄弱環節的指標不匹配，即項目有效投資率未達到100%，則計算項目重復投資率，將重復投資率記為O，計算公式為：

式中：l為與薄弱環節不匹配的項目建設目標數；n為項目目標總數。

1.1.3 電網運行水平評估

運營水平主要對電網建設項目建設前和建設后預計的運行水平、轉供能力、電網結構、設備水平和供電質量等進行對比分析。運營水平評價指標應從整個電網建設項目及其所涉及的影響范圍出發，凡是涉及到的方面、細節等，在前評價指標體系中均予以考慮并體現出來，同時需要有目的地選擇具有意義的重要的指標作為考察重點，使前評價指標體系具有較強的目的性和針對性。

根據上述需求，預評估電網運營水平指標體系[10-11]的建立如表1所示，該指標體系同時應用于進行現狀和匹配度分析的分析指標。

表1 預評估電網運營水平指標體系

把指標的原始數據輸入模糊隸屬度函數，得到指標的得分。指標分為經濟型（正指標）、成本型（逆指標）、區間型（適度指標）3種類型，其中經濟型指標越大越好，成本型指標越小越好，區間型指標為某一固定范圍內為好，具體見表2。

采用梯形分布線性隸屬函數來擬合，指標的隸屬度確定則以指標的類型，按以下函數計算[10]。

經濟型指標采用升半梯形分布函數：

表2 前評估指標屬性類型

成本型指標采用降半梯形分布函數：

區間型指標采用梯形分布函數：

式（4）—（6）中： sup（f）和 inf（f）分別為這一指標的上、下界（z隸屬度閥值）；[a，b]為區間型指標的適度區間[10]；x為經濟型指標的每期記錄值。隸屬閥值可利用頻數分布法對歷史數據統計分析來得到，適度區間的確定按照電力行業的相關規定或專家實際經驗來得到。利用模糊隸屬度原理編寫隸屬度函數，計算二級指標的得分值，實際上這是對指標值的標準化處理。

通過德爾菲法估計指標體系一級指標的權重，運用熵權法來確定級指標層各評價指標對一級指標層的熵和熵權。熵權法是根據各指標傳輸給決策者的信息量的大小來確定指標權重的方法。

用熵權法確定指標權重的步驟如下。

（3）計算第 j項指標的差異系數 gj=1-ej， gj越大，越應重視該項指標的作用。

某項指標的差異越大，熵值越小，該指標包含和傳輸的信息越多，相應權重越大[12-13]。

1.1.4 經濟效益評估

經濟效益主要以年預期收益率來體現，年預期收益率通過計算項目預期年收益與項目投資金額之比來得到。配電網項目的預期投資收益主要體現在2個方面：一是通過提高電網的供電能力增加供電收益；二是通過優化電網結構降低線損，以減少供電成本。故以表3的指標作為經濟效益評估的依據。

表3 年收益率考核指標

計算公式為：

式中：M1為評估期內增售電量收益；M2為評估期內降損電量收益；c為項目投入金額。

1.2 項目投資后評估方法

1.2.1 目標實現情況評估

針對電網建設項目各個目標的實現程度進行分析，并與預評估的數據進行對比，審查工程建設目標、宏觀目標等的實現情況，找出未實現或實現程度較低的原因。項目目標實現情況評估公式為：

式中：m為項目實際達成的目標數。

1.2.2 電網運營水平評估

運營水平主要是對電網建設項目的目標實現情況以及項目建成前后的電網運行水平、轉供能力、電網結構、設備水平和供電質量等進行分析，以評估電網建設項目自身建設目標和宏觀目標的實現程度。

電網建設項目后評估的指標體系內容結構和指標權重，與項目前評估指標體系的內容結構和權重保持一致，后評估指標體系和權重與前評估的結果一致。通過收集項目建設前后各一時間段內的指標數據，計算項目建設后的指標提升值或降低值，以相應的權重對指標的提升值或降低值進行加權平均，計算得出項目實施前后運行水平的改善程度。

1.2.3 經濟效益評估

根據資源合理配置原則，從整體、長遠、客觀的角度來分析和評價電力投資項目的經濟性和合理性，使公司利益、地區利益和社會利益實現有機結合及平衡，這是配電網項目投資效益分析和評價的意義所在。評價配電網投資項目的經濟效益需要科學地計算、分析和論證經濟指標，將項目投資的有用成果與投資成本作比較，衡量它們的所得和費用、投入與產出之間的經濟合理性，得出全面的經濟結論。通過計算項目建成后實際的增供電量收益和降損收益，并且和項目投入金額相比較，以確定經濟效益好的項目是較為成功的項目。

2 配電網精準投資策略應用

應用德爾菲法估計指標體系一級指標的權重向量（0.23， 0.25， 0.15， 0.17， 0.2）T， 它分別對應運行水平、轉供能力、電網結構、設備水平和供電質量的權重。

根據某市電力企業的配電網運營水平指標體系和收集到的各網格的實際資料，確定網格在不同時期的指標值，將評價指標值構成的原始數據進行打分即標準化，得到的數據如表4所示（表4中僅顯示了某一網格2016—2018年各季度標準化后的數據）。

表4 某網格指標標準化后的結果

根據熵權法公式計算出二級指標層各評價指標對一級指標層的熵和熵權，以供電質量和其二級指標供電可靠率和電壓合格率為例，計算熵值和熵權。

供電可靠率的標準化數據比重分別是P11=

供電可靠率的熵值：

同理，電壓合格率的熵值e2=0.995 2。

則供電可靠率的差異系數g1=0.008 8；電壓合格率的差異系數g2=0.004 8。

供電可靠率的熵權：

電壓合格率的熵權W2=0.352 94。

配電網運營水平評價指標體系以及二級指標的熵和熵權如表5所示。

用表5指標體系對某市電力企業的3個改造項目進行預評估，評估的時間點是項目開工前。這3個項目的具體情況如表6所示。

首先通過計算投資后線路未來可開放容量C：

C1=11 195×80%-7 252>0 ，

C2=12 280×80%-8 214>0 ，

C3=19 825×80%-8 540>0 ，

得到所有線路未來可開放容量均大于0。

A網格的主要薄弱點是公變超重載、局部存在低電壓和局部供電可靠性較低。項目1針對所有的問題，因此有效投資率T=3/3=100%；項目2主要針對網格供電可靠性較低的問題，因此有效投資率T=1/3=33.3%。B網格的薄弱環節是公變超重載、負荷不平衡、低電壓和供電可靠性較低。項目3試圖補強網格的所有薄弱環節，因此有效投資率T=4/4=100%。

表5 配電網運營水平評價指標體系以及二級指標的熵和熵權

應用表5所示的指標體系和權重，通過項目完工前和項目完工后的指標值、權重的乘積結果作為評分來評估表6中的3個配電網項目。

項目1開工前的配電網運營水平評分是0.359，項目完工后的預計評分是0.415，網格運營水平預計增長0.056。項目2開工前的評分是0.664，完工后的預計評分是0.7，增長0.036。A網格的儲備項目，項目1比項目2預期獲得的運營水平收益更大。項目3開工前的運營水平得分是0.355，預期完工后的運營水平得分是0.429，兩者差值是0.074。

從經濟效益來看，預計項目1的日均增供和降損電量為1 072 kWh，每年可增供降損391 280 kWh，售電電價是0.5元/kWh，項目投資額是2 286 549元，年收益率：×100%=8.56%；預計項目2的日均增供和降損電量為1 950 kWh，項目投資額是4 399 022元，年收益率R2為8.09%；預計項目3的日增供和降損電量為2 100 kWh，項目投資額是4 792 327，年收益率R3為8.00%。

表6 用于評估的3個配電網項目

對3個項目的實現情況進行評估，方法與預評估方法一致，項目1的目標實現率是100%，項目2的目標實現率是33.3%，而項目3的目標實現率是100%。

應用表5所示的指標體系和權重作為電網運營水平后評估指標體系和權重，計算3個項目在開工前和完成后的運營水平提升度，從而比較3個項目的投資效率。項目1開工前的運營水平是0.359，項目完工后的水平是0.422，提升0.063；項目2開工前的網格運營水平是0.664，項目完工后的水平是0.698，提升0.034；項目3開工前的網格運營水平是0.355，完工后的水平是0.62，提升0.265。項目1和項目2雖然屬于同一網格，但項目1帶來的電網運營水平提升較大，故建議對A網格進行項目1的投資。

3 實例驗證

本策略在配電網項目歷史信息的基礎上，創新運用數據挖掘分析方法，綜合投資前評估感知投資需求和后評估模型分析產出效益，通過項目投資前決策評價和項目后的目標實現、電網運營水平提升和經濟效益評估來指導配電網精準投資。

通過對試點區塊進行小范圍驗證，基于數據挖掘技術的配電網精準投資策略，從提交的120個配電網項目清單中剔除無效、低效項目8個，同時將9個急需解決的項目納入投資方案，通過削減投資、提高收益，比原方案增加610.6萬元的經濟效益。按浙江公司每年下達5 000個配電網項目計劃預估，僅項目優選這一項，每年就可實現2.5億元以上的經濟效益。

4 結語

經項目投資前評估來感知公司投資需求，強化項目儲備，科學測算投資能力，界定投資范圍、統籌需求和投資能力，進行項目投資甄選，避免或減少配電網項目決策的失誤，做好配電網項目精益化管理的起始環節；針對投運項目進行配電網投資整體評估，建立投資后評估模型，從電網規模、電網安全、運營效益和運行效率等方面構建評價指標體系，分析產出效益，可以定位電網在投入產出效率效益方面存在的不足，為未來的配電網精準投資提出指導性意見，從而實現電網效益最大化。